Akankah Starship mencapai Mars?

Selama hampir 60 tahun eksplorasi ruang angkasa, ada banyak dan berbagai tingkat penjabaran proyek penerbangan ke Mars dan planet-planet lain. Tetapi proyek SpaceX "Starship" (Starship) menonjol di antara mereka karena alasan berikut:

1. Inisiatif dan pendanaan sepenuhnya pribadi, setidaknya untuk saat ini.
2. Meskipun paragraf sebelumnya, tingkat kesiapannya tinggi. Salah satu teknologi utama (tahap cair dapat digunakan kembali) telah dikuasai , prototipe sedang dalam konstruksi, mesin telah diuji.
3. Ambisius. Bukan hanya terbang ke Mars, tetapi mulai membangun koloni permanen. Dan kapal di masa depan dapat membawa seratus orang. Dan tidak hanya ke Mars.
4. Kurangnya mesin nuklir, plasma, dan hyperspace . Hanya LRE yang hanya hardcore .

Mengapa "Starship" akan dapat melakukan beberapa mesin roket, seperti biasa, di bawah jalan pintas.

Pengisian ulang bahan bakar ruang

Fitur utama dari proyek Starship adalah penggunaan sumber daya Mars untuk menghasilkan bahan bakar untuk penerbangan kembali. Langkah ini memungkinkan Anda untuk membagi dua kolesterol roket dibandingkan dengan penerbangan bolak-balik di pompa bensin yang sama dengan kecepatan yang sama.


Mars Direct. Kapal yang jauh dapat dikembalikan dan menunggu kedatangan kapal dengan awak (dekat), menghasilkan bahan bakar.

Pendekatan semacam itu bukanlah sesuatu yang baru dalam dirinya sendiri: produksi metana dari atmosfer Mars dan hidrogen yang dibawa masih dalam proyek "Mars Direct" dari Robert Zubrin. Proyek Topeng dibedakan oleh ukuran kapal, usabilitas dan kecepatan tinggi dari penerbangan antarplanet. Yang terakhir adalah konsekuensi dari kenyataan bahwa untuk mencapai tahap kedua dari rudal yang dapat digunakan kembali dengan penyelamatan tahap pertama menurut metode Falcon-9 yang dikembangkan oleh SpaceX, diperlukan peningkatan kecepatan urutan 7 km / s. Dan karena direncanakan untuk mengisi bahan bakar tahap kedua yang sama dengan tanker yang dapat digunakan kembali di pangkalannya untuk penerbangan ke Mars, masuk akal untuk mengisi bahan bakar sepenuhnya dan terbang di sepanjang lintasan yang cepat. Dari kekurangan bahan bakar, tangki bahan bakar tidak akan meningkat (dan pengisian ulang lebih sulit daripada pengisian bahan bakar, dan kompartemen bukan karet), dan penerbangan tanker direncanakan sangat murah. Secara total, 6 peluncuran per kapal direncanakan: peluncuran kapal itu sendiri dan 5 pengisian bahan bakar.


Kandungan hidrogen (kemungkinan besar dalam bentuk es air) di lapisan permukaan tanah Mars menurut satelit Mars Odyssey.

Jadi, masih untuk menyebarkan di Mars produksi bahan bakar metana-oksigen dari sumber daya lokal. Yaitu: "air tanah" yang ditemukan oleh satelit (kemungkinan besar dalam bentuk permafrost, meskipun mungkin cair) dan karbon dioksida dari atmosfer.

Pabrik metana

Untuk produksi metana seharusnya menggunakan reaksi Sabatier:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

Berita baiknya adalah bahwa reaksi ini eksotermik, sehingga panas dari reaktor Sabatier dapat disesuaikan, misalnya, untuk penguapan permafrost. Hidrogen untuk reaksi Sabatier dan oksigen untuk roket harus diekstraksi dengan elektrolisis air Mars dan air yang dihasilkan dalam reaksi Sabatier.

Menurut presentasi 2017, sebuah pompa bensin BFR penuh terdiri dari 240 ton metana dan 860 ton oksigen. Karena bahan lambung telah berubah sejak presentasi itu, tetapi bukan mesin dan hukum fisika, kita dapat mengasumsikan bahwa proporsi 3,58 ton zat pengoksidasi per ton bahan bakar telah dipertahankan. Tetapi ada satu peringatan: jumlah hidrogen yang dibutuhkan untuk menghasilkan satu kilogram metana dalam produksi elektrolisis menghasilkan empat kilogram oksigen. Jadi alih-alih 1.100 ton, kita perlu menghasilkan 1.200. Ngomong-ngomong, 100 ton oksigen ketika digunakan dalam LSS akan cukup untuk sekitar 100 ribu orang-hari.

Elektrolisis air adalah proses yang memakan energi di satu sisi, dan di sisi lain, dengan instalasi yang dirancang dengan baik, ia memiliki efisiensi sekitar 100%. Jika dibulatkan, kita dapat 16 MJ per kilogram air. Atau 18 MJ per kilogram oksigen yang diproduksi. Dalam hal kilogram produk akhir, biaya elektrolisis akan menjadi 14,4 MJ.

Untuk menyaring air untuk persiapan elektrolisis, dibutuhkan sekitar 22-30 kJ per kilogram air (penyuling di Mars dapat bekerja di dekat triple point), dan penyulingan hanya diperlukan untuk air kotor setempat, bukan limbah reaksi Sabatier, dan kondensasi komponen menjadi keadaan cair (untuk oksigen tidak termasuk efisiensi kulkas dalam 0,4 MJ / kg). Biaya kontrol suhu komponen bahan bakar di tangki tanpa mengetahui desain kapal tidak dapat diperkirakan secara tepat. Jadi kami hanya akan berasumsi bahwa kami membutuhkan 20 MJ per kilogram produk akhir. Atau +5,6 MJ untuk biaya yang tidak terkait dengan elektrolisis.

Jadi Kami memperkirakan kebutuhan energi sebesar 20 MJ per kilogram produk. Di satu sisi, ini banyak. Tetapi di sisi lain, ini dua tahun di antara jendela peluncuran, jadi kami punya banyak waktu untuk menghasilkan 1.200 ton produk. Dua tahun adalah sekitar 60 juta detik, jadi produktivitas rata-rata "pabrik" bahan bakar harus ... 20 gram per detik. Karena "pabrik" dan tanda kutip. Konsumsi daya rata-rata adalah 400 kW.

Reaktor nuklir menghilang - semua pembangkit listrik tenaga nuklir ruang nyata memiliki daya listrik dua kali lipat lebih kecil dari yang dibutuhkan. SpaceX juga tidak akan menarik pengembangan pembangkit listrik tenaga nuklir dengan kekuatan spesifik yang diperlukan. Tapi Mask memiliki Tesla dengan mantan Solar City, yang memproduksi panel surya.


Pembangkit listrik tenaga nuklir ruang angkasa Soviet. Proyek Topaz-100/40 tidak mencapai ruang. Dan setiap orang, secara sederhana, tidak terinspirasi oleh durasi operasi dalam mode daya maksimum

Kabar baiknya adalah bahwa pabrik bahan bakar tidak membutuhkan baterai penyangga. Produksi bahan bakar roket adalah pengisian baterai. Jadi cukup menghitung hanya area panel surya yang diperlukan untuk memberikan daya rata-rata 400 kW, dengan mempertimbangkan siklus harian rata-rata.

Rata-rata, selama tahun Mars, konstanta matahari adalah sekitar 600 W / m2 normal. Kami berasumsi bahwa SB hanya terletak di lereng kawah dalam posisi optimal untuk garis lintang tertentu - ini juga merupakan cara utama untuk memasang mereka di Bumi. Tidak termasuk badai debu, 191 watt cahaya (600 / pi) per meter persegi jatuh pada hari Mars rata-rata. Untuk menjelaskan badai, kami memperkenalkan koefisien 0,7 (Saya tidak tahu meteorologi Mars, tetapi mereka mungkin akan memilih tempat di mana ada sedikit debu). Hasilnya, dengan efisiensi 20%, kami mendapatkan rata-rata 26 watt per meter persegi per hari. Sekali lagi, untuk kenyamanan dan keandalan, kami melengkapi, tetapi kali ini turun - hingga 20 W / m2. Untuk 400 kW yang dibutuhkan, 20.000 meter persegi atau 2 hektar panel surya akan dibutuhkan. Dalam layanan keamanan rumah tangga modern dan publik, gravitasi spesifiknya sekitar 10 kg / m2. Bersama dengan kotak untuk pemasangan di atap, di Bumi, di mana tekanan angin adalah urutan besarnya lebih kuat daripada Mars. Sementara perancang kotak ini dioptimalkan untuk manufakturabilitas, bukan berat. Sel surya fleksibel (sekali lagi untuk keperluan rumah tangga) memiliki berat jenis 3,5 kg / m2. Di Mars, mereka dapat dengan mudah diluncurkan di tanah - pada tekanan 6 mbar, angin tidak dapat membawa mereka pergi. Tetapi itu akan dapat membawa debu yang harus dihancurkan atau disapu oleh robot atau oleh para astronot itu sendiri (Roh harus menunggu “setan berdebu”).


Sat Fleksibel untuk Bumi

Tapi misalkan, bersama dengan kabel, pembangkit listrik tenaga surya kita masih memiliki berat 10 kg per meter. Untuk baterai yang dibutuhkan 2 hektar, kita membutuhkan 200 ton. Terlepas dari kenyataan bahwa sesuai dengan rencana di Mars, pada awalnya 2 kapal tak berawak akan dimulai, dan di jendela berikutnya - 2 kargo dan 2 diawaki dengan awak yang tidak lebih dari 10 orang. Total 6 kapal dan dari 600 hingga 900 ton di permukaan Mars. Angka pertama diperoleh dari asumsi bahwa mereka tidak akan dapat mencapai 150 ton tangki kargo atau tidak akan mampu (dan 100 ton rudal di IEO sepenuhnya ada). Setidaknya 3 kali lebih banyak dari yang dibutuhkan.

Tapi selain pabrik bahan bakar, energi juga akan dibutuhkan ...

SJO

Pertama, itu hal utama: Rusia tidak akan bisa meninggalkan SpaceX tanpa toilet luar angkasa . Faktanya adalah keandalan toilet antariksa Soviet dibandingkan dengan WCS Shuttle bukan karena teknologi rahasia Soviet, tetapi karena fakta bahwa orang Amerika mempersulit sistem mereka dengan mencoba mengotomatiskan proses evakuasi kotoran yang jauh dari astronot. Yang mengarah ke penyumbatan dan "kesenangan" lainnya. Sementara di sosis luar angkasa Soviet-Rusia, aliran udara hanya memastikan bahwa kotoran menempel pada permukaan kantong berlubang, yang, setelah digunakan, harus disimpan dengan tangan. Di Skylab, orang Amerika memiliki sistem yang lebih sederhana di mana kantong kotorannya kedap udara dan mengharuskan mendorong produk limbah dengan jari-jari Anda (menggunakan tas khusus) lebih dalam ke dalam kantong, tetapi memiliki sistem pemompaan urin. SpaceX keduanya dapat meningkatkan gambar toilet Skylab (yang, meskipun perlu manipulasi tambahan dengan paket, bahkan lebih dapat diandalkan daripada yang Rusia) dan mengembangkan analog sendiri dari serikat pekerja dengan menekan limbah ke tas dengan aliran udara.


Skema toilet ruang Soviet. Urin melewati pipa dengan aliran udara, kotoran tetap di kompartemen dengan angka 5, ditekan oleh aliran udara.


Toilet ulang-alik Amerika. Kompleksitas yang lebih besar (dan keandalan yang lebih rendah) dari sistem dikaitkan dengan upaya untuk mengevakuasi tinja dalam aliran yang sama yang membawa urin.

Kami akan beralih dari pembuangan limbah ke kebutuhan manusia lainnya. Seperti dapat dilihat dari tabel (diambil dari sini ), kebutuhan untuk awak 6 orang untuk penerbangan yang berlangsung 500 hari (yang sedikit kurang dari durasi yang diharapkan dari misi Mars di Starship) akan membutuhkan 58 ton oksigen, makanan, dan air. Yang airnya 50 ton.



Pada prinsipnya, dengan mempertimbangkan lintasan cepat penerbangan "Starship" (waktu tergantung pada jenis konfrontasi, tetapi rata-rata 115 hari), adalah mungkin untuk mengelola persediaan air di kapal. Tetapi karena pabrik Mars masih membutuhkan pengembangan teknologi untuk menyiapkan air lokal untuk elektrolisis (mis., Pemurnian dan distilasi), adalah mungkin untuk regenerasi.

Sistem pemulihan air yang dikembangkan di USSR untuk stasiun Mir berbobot 2,4 ton per kru dari 6. Dalam hal menggunakan air yang diambil dari urin untuk produksi oksigen melalui elektrolisis (massa urin per hari kira-kira sama dengan kebutuhan manusia akan oksigen pada saat yang sama), konsumen utama akan kembali menjadi elektroliser dengan produk 18 MJ per kilogram produknya. Oksigen per orang per hari membutuhkan sekitar satu kilogram, yang memberi daya yang dikonsumsi oleh electrolyzer 208 W per orang. Distilasi, saya ulangi, di hadapan ruang hampa membutuhkan sekitar 22 kJ per kilogram, yang dapat diabaikan dengan latar belakang biaya elektrolisis, bahkan dengan mempertimbangkan volume air rumah tangga yang lebih besar. Setelah menerima permintaan energi 300 watt per orang, termasuk biaya penerangan dan pengisian tablet (dengan peta ruang angkasa, ya), kami mendapatkan 30 kW untuk kapal berkapasitas 100 tempat duduk. Ini hanya dua kali lipat dari catu daya satelit komunikasi modern (hingga 15 kW per satelit). Setelah tiba di Mars, biaya elektrolisis air untuk menyediakan oksigen dimatikan - pabrik bahan bakar sudah menghasilkan 100 ton tambahan oksigen per pengisian bahan bakar.

Dan radiasi

Bahayanya sangat dilebih-lebihkan. Di ruang angkasa, ada dua sumber radiasi: Matahari, yang memberikan banyak partikel energi yang relatif rendah, tetapi memancar dari hanya satu arah, dan GKI, "bersinar" dengan sejumlah kecil partikel energi tinggi dari mana-mana. Dengan demikian, Anda dapat melindungi diri dari Matahari hanya dengan tata letak - dengan memutar kompartemen non-hunian. Sebenarnya, ini direncanakan, sebagaimana dibuktikan oleh setidaknya lokasi SB pada Starship (lihat gambar). GKI lebih mudah bertahan, karena penerbangan melewati lintasan cepat. Dosis GKI yang diterima selama penerbangan di satu sisi lebih tinggi daripada norma-norma pekerja duniawi di industri nuklir, tetapi di sisi lain itu beberapa kali lebih rendah daripada yang diperlukan untuk pengembangan penyakit radiasi kronis sekalipun.


Render maka ITS. Kasusnya sekarang berbeda, tetapi penempatan SB tetap sama.